Muito além das órbitas dos planetas estão os contornos nebulosos da heliosfera, a bolha magnética no espaço que chamamos de lar. Esta bolha cósmica flexível se estende e encolhe em resposta aos suspiros e suspiros do sol.

Agora, pela primeira vez, uma equipe de cientistas liderada por David McComas de Princeton reuniu um ciclo solar inteiro de dados da espaçonave IBEX da NASA, que eles usaram para estudar como a heliosfera muda ao longo do tempo. Os ciclos solares duram cerca de 11 anos, conforme o sol muda das temporadas de alta para baixa atividade e vice-versa. Os cientistas estavam ansiosos para usar o recorde de 11 anos do IBEX para observar as mudanças na borda da heliosfera. Os resultados mostram a forma da heliosfera - uma questão de debate nos últimos anos - e indicam processos por trás de uma de suas características mais intrigantes. Estes achados, junto com um conjunto de dados recém-ajustado, foram publicados em The Astrophysical Journal Supplements em 10 de junho.

"É uma missão muito pequena, "disse McComas, o investigador principal da missão e professor de ciências astrofísicas. ÍBEX, abreviação de Interstellar Boundary Explorer, é do tamanho de um pneu de ônibus. "Tem sido um enorme sucesso, durando muito mais tempo do que o previsto. Temos sorte agora de ter todo um ciclo solar de observações. "

Mapeando a borda do sistema solar, uma partícula de cada vez

A bolha da heliosfera é preenchida com o vento solar, o fluxo constante de partículas carregadas do sol. O vento solar sai em todas as direções, um milhão de milhas por hora, até que se oponha ao meio interestelar, ventos de outras estrelas que preenchem o espaço entre eles.

À medida que o sol atravessa o meio interestelar, gera um calor, onda densa muito parecida com a onda da proa de um barco. Os arredores cósmicos de nossa heliosfera são conhecidos como a Massa Local, uma nuvem de gases superquentes. Onde o vento solar encontra o Fluff Local é a borda da heliosfera, chamada de heliopausa. Dentro dela existe uma região turbulenta chamada heliosheath.

O IBEX se concentra em partículas minúsculas chamadas átomos neutros energéticos que são criados quando quentes, partículas carregadas, como as do vento solar, colidem com neutras frias, como as que fluem do espaço interestelar. Partículas velozes do vento solar podem arrebatar elétrons de átomos interestelares desajeitados, tornando-se neutros.

Demora cerca de um ano para uma rajada de vento solar passar pelos planetas, além do cinturão de asteróides e do cinturão de Kuiper, até a borda da heliosfera - uma jornada 100 vezes a distância entre o sol e a Terra. Pelo caminho, o vento solar pega átomos ionizados de gases interestelares que se moveram para a heliosfera. O vento solar que chega na borda não é o mesmo vento que deixou o sol um ano antes.

As partículas do vento solar podem passar mais seis meses percorrendo o caos da heliosfera, o abismo entre as duas fronteiras externas da heliosfera. Inevitavelmente, alguns colidem com gases interestelares e se tornam neutros energéticos. Leva as partículas neutras perto de mais um ano para a viagem de volta, atravessando o espaço da borda da heliosfera de volta ao IBEX - e isso apenas se as partículas estiverem indo precisamente na direção certa. De todas as partículas neutras formadas, apenas alguns realmente chegam ao IBEX. A viagem inteira leva de dois a três anos para as partículas de maior energia na faixa de observação do IBEX, e ainda mais em energias mais baixas ou regiões mais distantes.

O IBEX tira proveito do fato de que átomos neutros como esses não são desviados pelo campo magnético do Sol:Partículas neutras frescas afastadas de colisões em quase uma linha reta.

IBEX pesquisa os céus em busca de partículas, observando sua direção e energia. A espaçonave detecta apenas cerca de um a cada dois segundos. O resultado é um mapa de construção lenta da fronteira interestelar, criado a partir do mesmo princípio que um morcego usa para ecolocalizar seu caminho durante a noite:monitore os sinais que chegam para aprender mais sobre o ambiente. Ao estudar de onde vêm os neutros, e quando, O IBEX pode rastrear os limites remotos de nossa heliosfera.

"Temos muita sorte de observar isso de dentro da heliosfera, "disse Justyna Sokół, que foi um NAWA Bekker Program Visiting Fellow em Princeton 2019-2020.

Usando os mais de 11 anos de dados do IBEX, McComas e sua equipe observaram a constante mudança do vento solar. Eles viram que quando o vento soprava, a heliosfera infla como um balão, e partículas neutras surgem nas franjas externas. Quando o vento acalma, o balão se contrai; as partículas neutras diminuem. A gangorra subsequente de partículas neutras, os cientistas relataram, ecoou consistentemente dois a três anos após as mudanças no vento - refletindo sua jornada até a borda do sistema solar e de volta.

"Leva tantos anos para esses efeitos atingirem a borda da heliosfera, "disse Jamey Szalay, um pesquisador associado em astrofísica e um membro da equipe IBEX. "Ter tantos dados do IBEX finalmente nos permite fazer essas correlações de longo prazo."

Moldando a heliosfera

De 2009 a 2014, o vento soprou bastante baixo e constante, uma brisa suave. A heliosfera se contraiu. Então veio uma onda surpresa com o vento solar, como se o sol desse um grande suspiro. No final de 2014, A espaçonave da NASA orbitando a Terra detectou o aumento da pressão do vento solar em cerca de 50 por cento - e tem permanecido alto desde então.

Dois anos depois, o vento solar ondulante levou a uma enxurrada de partículas neutras na bainha heliográfica. Outros dois anos depois, eles encheram a maior parte do nariz da heliosfera antes de atingir a crista dos pólos norte e sul da heliosfera.

Essas mudanças não foram simétricas. Cada saliência observada traçou as peculiaridades da forma da heliosfera. Os cientistas ficaram surpresos com a clareza com que viram a onda de proa do vento solar empurrando a heliopausa.

"O tempo e as partículas neutras realmente pintaram as distâncias na forma da heliosfera para nós, "disse McComas, que também é o vice-presidente de Princeton do Laboratório de Física de Plasma de Princeton.

O IBEX ainda não observou os efeitos deste suspiro cósmico da extremidade posterior da heliosfera, o heliotail. Isso sugere que a cauda está muito mais longe do sol do que a frente - essas partículas estão em uma jornada muito mais longa. Talvez a onda de vento solar ainda esteja indo em direção à cauda, ou talvez as partículas neutras já estejam voltando. Nos próximos anos, a equipe IBEX estará zelando por eles.

"A natureza criou este experimento perfeito para que possamos entender melhor essa fronteira, "Disse Szalay." Precisamos ver o que acontece quando essa grande coisa - o impulso do vento solar - muda. "

A forma da heliosfera tem sido motivo de debate entre cientistas nos últimos anos. Alguns argumentaram que nossa bolha no espaço é tão esférica quanto um globo; outros sugeriram que é mais perto de um croissant. Mas neste estudo, McComas disse, Os dados do IBEX mostram claramente que a resposta da heliosfera ao impulso do vento solar foi assimétrica - portanto, a própria heliosfera também deve ser assimétrica, em forma de algo como um cometa. O sol está situado perto da frente, e enquanto se move através do espaço, o heliotail segue bem mais atrás.

Enfrentando o maior quebra-cabeça do IBEX

Os muitos anos de dados do IBEX também aproximaram os cientistas de uma explicação para uma das características mais intrigantes da heliosfera, conhecido como fita IBEX - uma das maiores descobertas do IBEX. Anunciado em 2009, refere-se a um vasto, faixa diagonal de neutros energéticos, pintado na frente da heliosfera. Há muito tempo os cientistas ficam perplexos:por que alguma parte da fronteira deveria ser tão diferente das demais?

Hora extra, O IBEX indicou que o que forma a fita é muito diferente do que forma o resto do céu interestelar. É moldado pela direção do campo magnético interestelar. Mas como são produzidas as partículas de fita? Agora, os cientistas relatam que é muito provável que um processo secundário seja o responsável, fazendo com que a jornada de um certo grupo de partículas energéticas neutras quase dobre.

A história é assim:depois de se tornarem energéticos neutros, em vez de ricochetear em direção ao IBEX, este grupo de partículas segue na direção oposta, através da heliopausa e no espaço interestelar. Lá, eles experimentam o Fluff Local, navegando até que inevitavelmente colidam com a passagem de partículas carregadas, perder um elétron mais uma vez e ficar preso ao campo magnético circundante. Mais dois anos se passam, e as partículas carregadas colidem mais uma vez com pares mais lentos, roubando elétrons como fizeram antes. Após esta breve migração para além da heliosfera, os neutros energéticos nascidos duas vezes eventualmente reentram, correndo de volta para casa.

dados IBEX estendidos ajudou os cientistas conectar a fita para as partículas de longa turnê interestelar. As partículas que formam a fita viajaram cerca de dois anos a mais do que o resto das partículas neutras observadas. Quando se tratava do pico do vento solar, the ribbon took another two years after the rest of the heliosphere to start responding.

Far exceeding its initial mission of two years, IBEX will soon be joined by another NASA mission, IMAP—short for the Interstellar Mapping and Acceleration Probe, for which McComas also serves as principal investigator. The mission is scheduled to launch in late 2024.

"IMAP presents a perfect opportunity to study, with great resolution and sensitivity, what IBEX has begun to show us, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.